海洋牧場(chǎng)多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

石 堯， 李 暉， 楊永欽， 杜文才， 楊亞飛， 李鵬翔

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

海洋牧場(chǎng)多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

石 堯， 李 暉， 楊永欽， 杜文才， 楊亞飛， 李鵬翔

(海南大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 ?？?570228)

針對(duì)南海水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種海洋牧場(chǎng)多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。選取溫度、pH值和濁度作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，利用單片機(jī)收集水下傳感器數(shù)據(jù)，通過低頻信號(hào)發(fā)射模塊傳輸數(shù)據(jù)，通過ZigBee技術(shù)自動(dòng)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)水上數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，上位機(jī)利用LabVIEW圖形化編程實(shí)現(xiàn)對(duì)海水生態(tài)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并提供遠(yuǎn)程訪問功能。外場(chǎng)測(cè)試證明：系統(tǒng)具有靈活性好、功耗低、成本低等特點(diǎn)，可以較好地用于海洋牧場(chǎng)水質(zhì)監(jiān)測(cè)，全面提升海洋牧場(chǎng)的科學(xué)化監(jiān)管和告警等管理。

海洋牧場(chǎng)； 智能監(jiān)測(cè)； 實(shí)時(shí)性； 單片機(jī)； ZigBee； LabVIEW

0 引 言

海洋牧場(chǎng)可確保漁業(yè)資源持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)[1]，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境[2]。而水質(zhì)狀況對(duì)水生生物的分布和生長(zhǎng)影響巨大，是決定海洋牧場(chǎng)產(chǎn)量和質(zhì)量的關(guān)鍵因素。例如，溫度影響?zhàn)D料系數(shù)大小，在適宜范圍內(nèi)，溫度升高養(yǎng)殖對(duì)象攝食量大生長(zhǎng)速度加快。通常，pH值介于7.5～8.5的水體適宜水產(chǎn)養(yǎng)殖品種生存。水體渾濁會(huì)減弱光合作用，降低溶解氧含量，引起魚類窒息死亡[3]。國內(nèi)工業(yè)化養(yǎng)殖起步較晚，主要依靠經(jīng)驗(yàn)，很難做到精細(xì)化養(yǎng)殖。隨著傳感器技術(shù)不斷發(fā)展，依靠信息技術(shù)掌握養(yǎng)殖環(huán)境數(shù)據(jù)，科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)殖生產(chǎn)勢(shì)在必行[4]。針對(duì)現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)備測(cè)量周期長(zhǎng)、成本高、監(jiān)測(cè)區(qū)域小的現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)，提出了一種多參數(shù)無線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖水域水質(zhì)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，推動(dòng)科學(xué)養(yǎng)殖，提高海洋牧場(chǎng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集部分、無線傳輸部分和上位機(jī)監(jiān)測(cè)中心3部分組成，選擇具有代表性的溫度、pH值和濁度作為監(jiān)測(cè)對(duì)象，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集設(shè)備通過蓄電池供電，懸浮于監(jiān)測(cè)水域中，利用單片機(jī)收集各種傳感器數(shù)據(jù)[5]，并將分析處理后的數(shù)字信號(hào)發(fā)送至水面浮標(biāo)。水面浮標(biāo)采用光伏太陽能供電，在整個(gè)系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)中繼作用，接收采集設(shè)備發(fā)來的數(shù)據(jù)并將其傳送至上位機(jī)。由于光在水中存在折射，且水面浮標(biāo)和采集設(shè)備易受海面風(fēng)力及洋流影響光孔難以對(duì)準(zhǔn)，不宜采用光通信[6]。為減小信號(hào)衰減程度增大傳輸距離，選用170 MHz通信模塊實(shí)現(xiàn)水中通信。海面浮標(biāo)動(dòng)態(tài)組成ZigBee網(wǎng)絡(luò)[7,8]，經(jīng)單跳或多跳的方式數(shù)據(jù)送抵協(xié)調(diào)器，由串口將數(shù)據(jù)傳送至上位機(jī)。監(jiān)測(cè)中心則利用LabVIEW設(shè)計(jì)功能完備的監(jiān)測(cè)界面[9]，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海水生態(tài)參數(shù)，同時(shí)，借助其內(nèi)置的Web服務(wù)器將前面板發(fā)布到云端，供遠(yuǎn)程訪問。

各部分協(xié)調(diào)合作，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集數(shù)據(jù)采集、無線傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能于一體的海洋牧場(chǎng)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其成本低、免布線、易維護(hù)、靈活性好，可以推動(dòng)傳統(tǒng)海洋牧場(chǎng)向智慧化轉(zhuǎn)變，科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)殖生產(chǎn)[10]。

系統(tǒng)海上無線網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成，根據(jù)實(shí)際需要可以形成星型、簇狀、網(wǎng)狀網(wǎng)3種不同類型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[11～15]，如圖2所示。星型網(wǎng)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和維護(hù)，該網(wǎng)絡(luò)的控制比較簡(jiǎn)單，通常用于小范圍通信；簇狀網(wǎng)包括一個(gè)協(xié)調(diào)器，多個(gè)路由器以及多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器除了啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)外，還要選取關(guān)鍵的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，延時(shí)增加；網(wǎng)狀網(wǎng)由多個(gè)全功能設(shè)備組成骨干網(wǎng)，允許所有路由節(jié)點(diǎn)直接通信，可以減小網(wǎng)絡(luò)傳播時(shí)延，增加可靠性。

圖2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕愋?/p>

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 采集設(shè)備的實(shí)現(xiàn)

1)溫度傳感器

采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其體積小、功耗小、電路簡(jiǎn)單，只需要按照給定的時(shí)序操作高、低電平即可準(zhǔn)確地測(cè)量溫度，適用于各類狹小空間的數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域[16]。輸出即為數(shù)字信號(hào)，不需要調(diào)理電路，適應(yīng)電壓寬為3.0～5.5 V，測(cè)量范圍為-55～+125 ℃，與微處理器只需要一條線連接即可實(shí)現(xiàn)雙向通信，抗干擾能力強(qiáng)。

2)pH值傳感器

采用電位法[17]設(shè)計(jì)pH值傳感器。電位檢測(cè)是將玻璃電極作為測(cè)量電極，Ag/AgCI電極為參比電極組成電池，遵循能斯特(Nernst)定律[18]，依據(jù)電勢(shì)變化測(cè)量pH值。測(cè)量電極電位、參比電極電位與pH值滿足式(1)

Ex=Eθ-2.303RTpH/F

(1)

式中Ex為復(fù)合電極電勢(shì)；Eθ為標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)；R為氣體常數(shù)8.314 41 J/(K·mol)；T為開氏絕對(duì)溫度；F為法拉第常數(shù)96.487 kJ/(V·mol)。采集數(shù)據(jù)時(shí)將pH傳感器放入待測(cè)溶液中，兩電極之間存在微小電動(dòng)勢(shì)，輸出信號(hào)范圍較小，需要設(shè)計(jì)放大電路來提高輸入阻抗，降低測(cè)量噪聲。

3)濁度傳感器

養(yǎng)殖水域水體渾濁度越高，光的通過率越低，光敏電阻器接收光線越弱[19]，利用這一原理設(shè)計(jì)濁度傳感器，光敏電阻將光線強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，濁度電流信號(hào)經(jīng)電阻轉(zhuǎn)換為0～5 V電壓信號(hào)，利用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣處理后，單片機(jī)即可讀取當(dāng)前濁度信息。

4)采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分通過對(duì)水下傳感器以0～5 V直流電壓進(jìn)行模擬信號(hào)采集，利用ADC0809轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,獲取數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)分析處理完成數(shù)據(jù)采集工作，最終數(shù)據(jù)由低頻發(fā)射模塊發(fā)送，軟件流程如圖3所示。

圖3 采集設(shè)備軟件設(shè)計(jì)流程

2.2 水面浮標(biāo)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸涉及水上及水下2部分，選取合適的頻段保證數(shù)據(jù)可靠傳輸尤為重要。為降低設(shè)備復(fù)雜度，減小電磁波衰減程度，水下選用170 MHz無線通信模塊傳輸數(shù)據(jù)。海面利用ZigBee節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組網(wǎng)，搭建了一個(gè)適合于海面短距離、性能可靠、容量大的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。水面浮標(biāo)在整個(gè)系統(tǒng)中起到數(shù)據(jù)中繼作用，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 水面浮標(biāo)結(jié)構(gòu)

水面浮標(biāo)搭載基于CC2530的ZigBee模塊與170 MHz無線串口模塊，兩者通過杜邦線連接傳輸數(shù)據(jù)。ZigBee模塊底板自帶USB轉(zhuǎn)串口功能，并且為170MHz無線串口模塊提供3.3 V電源。RXD，TXD分別為串口輸入、輸出引腳，兩模塊交叉相連用以傳輸數(shù)據(jù)。無線串口模塊的M0，M1引腳決定了模塊的工作模式，為保證水下數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，將其電源接地采用透明傳輸模式。

2.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面設(shè)計(jì)

在海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)界面可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理及顯示，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，可根據(jù)預(yù)設(shè)值自動(dòng)報(bào)警，支持遠(yuǎn)程訪問功能，軟件流程如圖5所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和上位機(jī)之間采用串口通信，LabVIEW[20]需要運(yùn)行專用的儀器驅(qū)動(dòng)設(shè)備和VISA庫函數(shù)的安裝程序后才可以使用串口函數(shù)[21～23]。

圖5 上位機(jī)軟件流程

3 系統(tǒng)測(cè)試

選取海南大學(xué)東坡湖為測(cè)試地點(diǎn)，對(duì)ZigBee組網(wǎng)、通信距離以及數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試條件如下：2臺(tái)PC(其中一臺(tái)作上位機(jī))，1個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器，1個(gè)水面浮標(biāo)，1個(gè)數(shù)據(jù)采集設(shè)備。測(cè)試結(jié)果證明:系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水面浮標(biāo)與協(xié)調(diào)器的正常組網(wǎng)，上位機(jī)監(jiān)測(cè)界面正常顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，支持遠(yuǎn)程訪問，協(xié)調(diào)器與水面浮標(biāo)之間的通信距離約50 m，隨著距離增加信號(hào)接收不穩(wěn)定。該條件下水上ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇樾切徒Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)較少，通信距離取決于單個(gè)ZigBee模塊的覆蓋范圍，對(duì)于大水域海洋牧場(chǎng)監(jiān)測(cè)可以通過增加ZigBee路由節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)。在正常通信范圍內(nèi)，系統(tǒng)可以完成對(duì)水質(zhì)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié)束語

針對(duì)南海水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)特點(diǎn)，將嵌入式技術(shù)、ZigBee技術(shù)與虛擬儀器技術(shù)融合，設(shè)計(jì)了一種海洋牧場(chǎng)多參數(shù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的重要部分及軟件的主要流程。系統(tǒng)具有功耗低、成本低、靈活性好、免布線、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，可以對(duì)養(yǎng)殖水域環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為生產(chǎn)管理者提供判斷依據(jù)，轉(zhuǎn)變粗放型漁業(yè)生產(chǎn)方式，科學(xué)指導(dǎo)養(yǎng)殖生產(chǎn)，提高產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量，在海洋牧場(chǎng)發(fā)展過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。

在后續(xù)研究中，需要對(duì)采集節(jié)點(diǎn)分布及數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)功能進(jìn)行優(yōu)化，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)分析養(yǎng)殖數(shù)據(jù)，在保證低能耗、低延時(shí)的前提下增大監(jiān)測(cè)范圍，開發(fā)專用的APP供客戶使用，推動(dòng)海洋牧場(chǎng)智慧化建設(shè)，促進(jìn)海洋牧場(chǎng)自身擴(kuò)張繁衍的持續(xù)性，為經(jīng)營者及其所處海域的生態(tài)環(huán)境帶來更好的效益。

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李 暉，通訊作者，博士，教授，從事海洋通信、5G移動(dòng)通信、?？仗煨畔鬏斁W(wǎng)絡(luò)研究工作,E—mail:hitlihui1112@163.com。

杜文才，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事海洋通信、E-service等方向研究工作。

Design and implementation of multi-parameter intelligent monitoring system for marine ranching*

SHI Yao, LI Hui, YANG Yong-qin, DU Wen-cai,YANG Ya-fei, LI Peng-xiang

(College of Information Science & Technology,Hainan University,Haikou 570228,China)

Aiming at characteristics of South China Sea aquaculture industry,a multi-parameter intelligent monitoring system for marine pasture is proposed.Temperature,pH and turbidity are selected as monitoring objects.A single-chip microcomputer is used to collect sensor data underwater,and the data is sent out by low frequency signal transmitting module.In order to achieve long-distance data transmission,ZigBee technique is used for automatic networking above the sea.The LabVIEW graphical programming is used to achieve real-time monitoring for marine ecological parameters by upper PC and provide remote accessing function.Field tests show that this system has the characteristics of good flexibility, low power consumption, low cost and so on. It can be well used in marine ranching to monitor water quality and upgrade management level of marine ranching in surveillance and alarming.

marine ranching; intelligent monitoring; real-time; single chip microcomputer; ZigBee; LabVIEW

10.13873/J.1000—9787(2017)09—0070—03

2016—10—15

海南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃高新技術(shù)項(xiàng)目(ZDYF2016010)；海南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(20166210)；海南省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(HNKY2016ZD—5)；海南大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(KYQD1536)；海南省教育廳研究生創(chuàng)新科研課題項(xiàng)目(HYS2016—59)

TP 212

A

1000—9787(2017)09—0070—03

石 堯(1991-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｑ笸ㄐ排c信息系統(tǒng)。